14. GAIA

MICROORGANISMODUN ERREAKTORE BIOLOGIKOAK

SARRERA

Erreaktore bilogikoak (edo bio-erreaktoreak) aintzinatik erabili dira aleen eta fluituen karbohidratoak hartzituz alkoholdun edariak egiteko. Gaur egun ostera, Bioteknologiako prozesu banaka batzu baino ez dira hartzidurak eta gizateriaren zenbait arazori daude lotuak, hots, elikadura, inguramena, baliabideen eramangarritasuna eta medikuntza arlokoak dira hartzidurarik gehienak.

Haiserako hartzidura prozesuak mikroorganinosmoen bidez baino ez ziren egiten, baino oraintsuago entzimak (katalizatzaile biokimikoak) erabiltzen hasi da. Hauen abantaila nagusia hautakortasuna da mikoorganismoek bizitzan zehar sor litzaketen erreakzioak baztertu baititzakete.

Mikroorganismoak edo entzimak erabiliz egiten diren zenbait erreakzioak, 1 eta 2 Taueletan erakusten dira hurrenez hurren.

1. Taula. Mikroorganismoen bidezko prozesuak edo prozesu mikrobiarrak

• Uren, gasen eta lur kutsatuen garbiketa.

• Antibiotikoen ekoizpena: Aterrimizina, bazitrazina, zefalosporina, eritromizina, neomizina, oleandomizina, paromomizina, penizilinak, tertraziklinas, biomizina, etabar.

• Esteroideen ekoizpena: Kortisona, prednisolona, etabar.

• Entzimen ekoizpena: Amilasak, katalasak, glukosa oxidasa, inbertasa, penizilinasa, proteasa, etabar.

• Azido organikoen ekoizpena: Azido azetikoa, zitrikoa (> 100 mila tona/urte), glutamikoa (> 350 mila tona/urte), lactikoa, etabar.

• Erregaien eta disolbatzaileen ekoizpena: Etanola, glizerola, etabar.

• Bitamina, antigorputz, hormona eta antzekoen ekoizpena: Intsulina, hazteko hormona, etabar.

• Amiden ekoizpena: Akrilamida (> 100 mila tona/urte) , etabar.

2. Taula. Entzimen bidezko prozesuak.

• Lignozelulosazko biomasaren hidrolisia azukre hartzigarriak lortzeko. Entzima: Zelulasa

• Almidoiaren hidrolisia azukreak lortzeko. Entzima: Amilasa.

• Glukosaren isomerizazioa fruktosa lortzeko (gozogarria edo edulkoratzailea). Entzima: Glukosa isomerasa.

• Esnearen laktosaren deskonposizioa. Entzima: Laktasa.

• Tearen taninoen deskonposizioa uhera kentzeko. Entzima: Tanasa.

Erreatorearen diseinuari dagokionez, prozesu mota bien arteko diferentziak nabarmenak dira. Mikroorganismodun erreaktoreen diseinua erreaktore homogeneoen antzean egiten da baina mikroorganismoen elikadura kontuan izanda, hots, oxigenoa, argia eta elikagaiak. Entzimadun erreaktoreek ez dute arazo hau eta beraien diseinurako erreaktore katalitikoen oinarriak erabili behar dira, homogeneoenak edo heterogeneoenak, kasuaren arabera. Gainera, orain arte landu ditugun erreaktoreekin duten beste desberdintasun bat ekuazio zinetikoa adierazteko era.

Mikroorganismodun prozesuak erreakzio autokatalitiko gisa har ditzakegu, 1 Irudian erakusten den moduan:

+ Mikroorganismoak

Elikagaiak (A) Mikroorganismoak (C) + Metabolismo-emaitzak (B)

1. Irudia. Mikroorganismodun prozesuaren eskema bakuna (ez-egituratua).

Prozesuaren arabera honako aukera hauek dira interesgarri:

• Elikagaiak kentzea. Hondakin uren, gasen eta lur kutsatuen kasua da nabariena, kendu behar diren osagai organikoz elikatzen diren mikroorganismok erabilita.

• Mikroorganismoen metabolismoaren emaitzak ekoiztea, penizilinaren kasuan bezala.

• Mikroorganismoak ekoiztea, zelulako proteinen edo ogiaren legamiaren kasuan bezala. Oro har, mikroorganismoen bidezko prozesu gehientsuenen lehen urratsa ere bada.

Mikroorganismorik erabilienak industrian bakteriak, legamiak eta honddoak dira, baina zenbait aplikaziotan goi organismoen (animalien eta landareen) zelulak ere erabiltzen dira

Elikadurari dagokionez, mota bi daude:

Heterotrofoak: Energia lortzeko kanpotik hartutako osagai organikoen oxidazioa egiten dute, eta zelulen ehundura garatzeko beharrezko elementuak hartzen dituzte.

Autotrofoak: Ez dute kanpoko osagairik behar, baizik eta eurek sintetizatzen dituzte energia, CO₂-a eta H₂O-a erabiliz (fotosintesia edo kimiosintesia –osagai ezorganikoen oxidazioa N, S eta zenbait metalen bidez).

Mikroorganismoen metabolismoa kateaturiko zenbait erreakzioren multzoa da (bideak edo bide metabolikoak deituak) eta zelularen barruan gertatzen direnez, espezie erreakzionatzaileak bertara heldu behar dute. Bide metabolikoaren oinarrizko unitatea entzimak katalizaturiko erreakzioa da. Beraz, milaka erreakzio aldiberean gertatzen diren guneak dira zelulak.

Industriako prozesuen helburua, nahi diren emaitzak emango dituen metabolismo osoaren zatia egitea da. Elikagaien ingurunea kontrolatuz egiten da hori. Beraz, aukera ugari dago ingurunearen osaerari dagokionez, baina zenbait elementu beti izan behar ditu. Elikagaien soluzioak oinarri moduan dituen osagaiak hauek dira:

Osagaiak kontzentrazioa

Karbono iturria

(almidoia, pektina, glukosa) desberdina

Nitrogeno iturria (NH₄Cl) 0,01 M

KH₂PO₄ 0,03 M

Na₂HPO₄ 0,04 M

MgSO₄.7H₂O 5 10^-4 M

FeSO₄ 1,6 10^-5 M

CaCl₂ 6H₂O 1 10^-4

MnCl₂ 1 10^-5 M

Beste zenbait elementu ere eduki behar ditu urezko inguruneak kantitate txikian, hala nola, Co, Zn, etabar.

Aipatutakoaren arabera, zenbait berezitasun dituzte erreakzio biologikoak erreakzio kimikoen aldean:

- Erreakzio nahastearen konplexutasuna, mikroorganismoak (fase solidoa) eta izaera konplexuko substratua baititu.

• Mikroorganismoen masa denboran zehar aldatuz doa.

• Hautakortasun txikia. Erreakzio biokimikoen katalizatzaileak (entzimak) mikroorganismoak sintetizatuak dira baina entzima mota ugari sintetiza ditzake mikroorganismo batek.

• pH-a eta tenperatura tarte estuan eduki behar dira.

• Ur faseak ez du eduki behar mikroorganismoen hazkuntzan eragin dezakeen kutsatzailerik.

• Ekuazio zinetikoari buruzko argibidea oro har mugatua da eta Monod-en eta antzeko ekuazio enpirikoak erabiltzen dira.

• Kontzentrazioa masa bolumen unitateko (g/l) erabiltzen da molak bolumen unitateko erabili beharrean.

Mikroorganismodun erreaktoreak honela sailka daitezke:

• Jarioaren arabera: Nahaste perfektukoa, serieko tankeak, pistoi jariokoa.

• Operatzeko eraren arabera: Txandakakoak, jarraituak edo erdi- jarraituak.

• Irabiaketa energia emateko metodoaren arabera: Gas fasean, likido fasean edo nahasian.

Bio-erreaktore industrialen artean, %76k ez dute ez irabiaketarik ez aireztaketarik (besteak beste, hartzidurak egiteko elikaduran erabiliak), %11k ez dira irabiatuak baina bai aireztatuak eta %13 irabiatuak eta aireztatuak dira.

BIO-ERREAKTOREEN KONFIGURAZIOAK

Sailkapen guztiak kontuan izanez, bio-erreaktoreen konfigurazio desberdinak lor daitezke:

• Irabiatua (nahasia). Industrian erabiliena, txandaka edo erregimen jarraituan edo erdi-jarraituan (bereziki penizilinaren ekoizpenean, substratuaren kontzentrazioa kontrola baitaiteke).

• Hodi formako burbuileztatua (airlift erreaktorea), birzirkulaziorik gabe edo birzirkulazioz (loop-a), bai barnekoa edo kanpokoa.

• Hodi formako ohantze finkoa. Tratatu behar den likidoa edo gasa eutsitako mikroorganismoak edo entzimak dituen ohantzean zehar pasarazten da.

• Hodi formako ohantze fluidizatua. Aurrekoaren berdinda baina eutsitako mikroorganismoak edo entzimak fluidizatuta daude.

• Hodi formako gas-solido-likido erreaktorea (trickle erreaktorea). Ohantze finkoaren aldaera da eta gasa (airea tratamendu aerobioan) eta likidoa (ur kutsatua adibidez) norabide berean edo bata bestearen aurka (airea gorantz eta likidoa beherantz) pasarazten dira.

Erreaktore irabiatuak

Osagaiak edozein nahaste perfektuko erreaktorerenak dira (2 Irudia). Kasu honetan, airea elikatu eta atera egiten da eta aparra apurtzeko gailua ere izaten da.

2. Irudia. Irabiaturiko bio-erreaktorea

Erreaktore hauetan, altuera diametroa baino 2-6 aldiz handiago da eta bolumen totalaren %75a likidoak betetzen du. Diametroa 3 m baino txikiagoa duten erreaktoeetan, 4 bafle (bafles) nahikoa dira irabiaketaren zurrunbiloa eragozteko eta diametro handiagoa dutenenetan 6 edo 8 erabiltzen dira. Bafle bakoitzaren zabalera erreaktorearen diametroaren 1/10-1/12 tartean izaten izaten da.

Irabiaketa garrantzitsua da mikroorganismodun nahaste konplexuak homogeneizatzeko, bereziki biskositate eta uhertasun handikoak direnean. Sistema ugari erabiltzen dira. Ohikoak, nahastearen biskositatea 5 Ns/m² baino txikiagoa denean erabiltzen dira (ezkerrik eskuinera 3. Irudian): diskodun turbinak, palak, pala kurbatuak, kanpoko diskodunak, pala okerrak eta helizeak. Ardatz berean irabiagailu 2 edo 3 izatea ohikoa da.

Biskositatea handia denean (10 Ns/m² baino handiagoa) eta erreaktorearen diametroa handia izateagatik irabiaketa abiadura txiakia denean, paletak (a), aingura (b) eta hiru-dimentsioko helizea (c) erabiltzen dira (4. Irudia).

3. Irudia. Ohiko irabiagailuak.

4. Irudia. Abiadura baxuko irabiagailuak.

Airlift erreaktoreak

Airlift erreaktore ohikoetan airea (garbia edo garbitu behar dena) oinarrian banatzen da (5a. Irudia) eta beraren goranzko higidurak likidoaren eta mikroorganismoen barne zirkulazioa eragiten du. Erdiko hodia (5b. Irudia) eta kanpoko ponparen bidezko zirkulazioa ere erabiltzen dira (5c. Irudia).

Ohantze finkoak eta fluidizatuak

Ohantze finkoa aire kutsatuen bio-iragazkietan erabiltzen den ohikoa da (6a. Irudia)

(a)

(b) (c)

5. Irudia. Airlift erreaktoreak.

1. (b)

6. Irudia. Ohantze finkoa (a) edo fluidizatua (b) duten bio-erreaktoreak.

MIKROORGANISMODUN ERREAKZIOEN ZINETIKA

Zelulen metabolismoa

Zelulen metabolismoa erreakzio ugariren (100 baino gehiagoren) ondorioa da. Erreakzio hauek zelularen barruan gertatzen diren eta nahi den erreakzio industrialarekin batera gertatzen dira.

Hasteko, substratuak kanpotik (ingurune abiotikotik) zelularen barrura (ingurune biotikora) sartu behar dute horman zehar. Garraio hau hiru mekanismoren bidez gertatzen da: a) Fick-en legearen araberako ohiko difusioa. b) Zelula-mintzean zenbait proteinak lagunduriko substratuen garraioa. c) Indar ionikoen bidezko garraioa.

Zelula barneko erreakzioak 7. Irudian laburbildu dira eta honako hauek dira: a) Erreakzioetan erabiliko den Gibss-en energia askearen eratzea (erreakzio katabolikoak). b) Substratuetatik abiatuz bloke bakunak (aminoazidoak, base nitrogenatuak, etabar) eratzea. c) Molekula bakunen polimerizazioz zelularen egitura osatzen duten makromolekulak (proteinak, lipidoak, ADNa eta ARNa) eratzea. d) Makromolekulak zelularen organuluetan sartzea.

Gainera, zenbait emaitza nahigabe ere sortzen dira (CO₂-a etanola edo zenbait entzima). Hauek zelularen pozoinak direnez, fase abiotikora garraiatuak dira lehen substratuak barrura sartzeko aipatu diren mekanismoen bidez

7. Irudia. Zelulan gertatzen diren oinarrizko erreakzioak.

Materia balantzeak

Zelula bakoitza txandakako erreaktore gisa hartuz, materia eta energia balantzeak ezarri daitezke eta erreakzioen termodinamika analizatu. Hala ere, erreakzioak hainbeste direnez, deskribapen matematikoa ia ezinezkoa. Beraz, banakako elementuen balantzeak erabili ohi dira, besteak beste, karbono, nitrogeno, oxigeno, fosforo eta sufre elementuei dagozkienak. Mikroorganismoen eta ekoiztutako makromolekulen elementuzko osaera 3 eta 4 Tauletan ikus daiteke.

Bestalde, balantze ezartzea ez da erraza, osagaien arteko erreakzioen estekiometria jakitea zaila baita eta aldatu egiten baita erabilitako mikroorganismoen eta hazkuntza baldintzen arabera. Beraz, etekin faktoreak ezartzen dira, hots, i eta j espezien masazko kontzentrazioen zatidura prozesuan zehar:.

Y_i/j = (1)

Etekin faktorerik erabilienak 5. Taulan erakusten dira.

3. Taula. Mikroorganismo desberdinen elementuen osaera (Nielsen, 1994).

4. Taula. Zenbait makromolekularen elementuen osaera (Oura, 1983).

5. Taula. Etekin faktorerik erabilienak.

Eredu zinetikoak

Erreaktorearen diseinua egiteko, zelulako osagaien arteko erreakzioak antzeko ezaugarriak dituzten osagai multzoen arteko erreakzio moduan hartzen dira. Multzoen arabera, eredu mota bi bereiz daitezke: ez-egituratuak mikroorganismoen zelulako osagai guztiak biomasa deritzon talde bakarrean sartzen direnean eta egituratuak zenbait talde hartzen direnean zelulako erreakzioak deskribatzeko. Sailkapen hau eta erreakzio kimikoetan egiten dena (erreakzio bakunak eta konplexuak) antzekoak dira. Gainera, osagai multzoen (lump-en) definizioa prozesu katalitikoetan ere beharrezkoa da.

Bestalde, parte hartzen duten mikroorganismoen arabera ere sailkatzen dira ereduak, hala nola, eredu ez-segregatuak (mikroorganismo guztiak berdinak direnean) eta eredu segregatuak (izaera desberdineko edota adin desberdineko mikroorganismoz osotuak eta, beraz, parametro zinetikoak banaketa funtzioz deskribatuak).

Txandakako erreaktorean, 8. Irudian erakusten diren etapak gertatzen dira denboran zehar:

8. Irudia. Mikroorganismodun txandakako prozesuaren etapak.

• Indukzio edo hastapen periodoa. Baldintza berrietara egokitzeko mikroorganismoak behar duten denbora, entzima berriak sortu behar baitituzte euren barne prozesuetarako. Oro har, sartutako mikroorganismo bolumena (inokulua) bolumen totalaren %5-10 da. Erreaktore txikiagoa erabiltzen da laborategiko haztegitik inokulua prestatzeko.

• Hazkunde exponentzialaren periodoa. Tarte honetan, elikagaien kontzentrazioa eta zelularen hazkundea mugatzen duten faktoreak ia ez dira aldatzen.

• Periodo geldikorra. Tarte honetan, mikroorganismoen ugalketa geldotu egiten da harik eta kontzentrazioa konstante izan arte eta elikagaien asimilazioa kontsumo metabolikoaren berdina izan arte. Hazkunde abiadura geldotzea elikagaiak urritzeari edo hazkundea inhibitzen duten emaitza metabolikoen formazioari egotzi dakioke.

• Heriotza (arnasketa, katabolismoa). Elikagaiak falta direnean, zelulak eurek metaturiko materia organikoa kontsumitzen dute.

Mikroorganismoen kontzentrazioa ingurunearen uhertasunaren bidez (kalibratu kurbak erabilita) edo askatutako CO₂-aren bidez neurtzen da, azken hau delarik metodo zehatzagoa.

Eredu ez-egituratuak eta ez-segregatuak

Zelularen osagai guztiak multzo bakarrean taldekatzen dira eta multzo hori, C, mikroorganismoen masa edo biomasa da. Gainera, mikroorganismoen hazkundea eta B emaitzaren formazioa mugatzen dituen faktore mugartzailea A substratuaren kontzentrazioa da. Emaitzen inhibiziorik ez dagoenean, mikroorganismoen hazkundea Monod-en ekuazioz aurresaten da (Monod, 1942):

(2)

K_M Monod-en konstante delarik

Zenbat eta K_M handiago den, r_C abiadura txikiagoa da. K_M = 0 denean abiadura handiena da eta lehen ordenakoa da:

(3)

Monod-en ekuazioan C_A = K_M denean:

(4)

Beraz, Monod-en konstantearen esangura fisikoa, mikroorganismoen hazkunde-abiadura maximoaren erdia lortzeko behar den substratuaren kontzentrazioa da.

Monod-en ekuazioa hazkunde abiadura espezifiko moduan erabiltzen da:

(5)

Monod-en ekuazioa enpirikoa da eta ez du zelulen hazkunderako mekanismoekin lotutako esangura fisikorik. Ostera, adierazpen matematikoak antzekotasuna du Langmuir-en adsortzio zinetikarekin (katalizatzaileen gune aktiboen okupazioa kalkulatzeko ere erabilia) eta Michaelis-Menten-en zinetika entzimatikoarekin (zelulan gertatzen diren erreakzioak entzimatikoak dira). A substratu mugatzailearen eraginari dagokionez, Monod-en ekuazioaren oinarriak honako hauek dira:

• Hazkunde abiadura espezifikoa konstante da, _maximoa (k konstante zinetikoa), substratu kontzentrazio handietarako (C_A >> K_M):

(6)

• Hazkunde abiadura espezifikoa lehen ordenakoa da substratu mugatzailearen kontzentrazioari dagikionez, kontzentrazio hau baxua denean:

(7)

Nahiz eta ekuaziorik erabiliena Monod-ena den, beste batzuk ere proposatu dira:

Tessier (1942): (8)

Moser-ek (1958) n ordena hartzen du: (9)

Contois-ek (1959) biomasaren hazkundearen inhibizioa hartzen biomasa kontzentrazioa handia denean: (10)

Le Motta-k (1979) erlazio lineala ezartzen du mikroorganismoen hazkundearen eta kontzentrazioaren artean: (11)

C_i kontzentrazioa mugatzaile den zenbait substratu kontsideratzen dituzten ereduen artean, Tsao-rena (1975) da ezagunena: (12)

Substratuek edo produktuek eragindako zelulen hazkundearen inhibizioa

Batzutan, zelulen hazkundea inhibitua izaten da substratuaren edota produktu metaboliko kaltegarriren baten eraginez. Fenomeno hauek kontuan izateko, Monod-en ekuazioari gaiak gehitu zaizkio. Horrela, zelulen hazkunde espezifikoa substratuaren eraginez inhibitua denean, Andrew-k (1968) honako ekuazio hau proposatu du: (13)

K_i substratuak eragindako inhibizio konstantea da.

Erreakzio entzimatikoetarako ekuzazioetatik abiatuz, honako ekuazio hauek proposatu ditu Edwards-ek (1970) substratuak eragindako inhibizioa neurtzeko:

(14)

(15)

Azken honetan, K konstate berria agertzen da.

Produktuek (etanolak) hartzidura alkoholikoetan eragindako inhibizio kuantifikatzeko, Aiba-k (1968) honako ekuazioa proposatu du:

(16)

Geroago, Edwards-ek (1970) eraldatu egin zuen ekuazio hori substratuak eragindako inhibizioa kontuan hartzeko:

(17)

Etanolak hartzidura alkoholikoan eragiten duen inhibizioa kontuan hartzeko, Levenspiel-ek (1980) honako ekuazio proposatu zuen:

(18)

Berton, mikroorganismoen hazkundea zero deneko metanolaren kontzentrazioa da C_Bm eta n doiketazko parametroa da.

Luong-ek (1987) antzeko ekuazioa proposatu du substratuak eragindako inhibizioa dagoenerako:

(19)

Tenperaturak eta pH-ak zinetikan duen eragina

Oro har, bai tenperatura baita pH-a ere konstante edukitzen dira balio optimoan, eta horregatik hazkunderako parametroak deritze. Beste aldagaiek ostera, hots, erreakzionatzaileen kontzentrazioak, irabiaketa abiadurak, oxigenoaren sarrera abiadurak, etabarrek, bat bateko aldaketak jasan ditzakete hartziduran zehar. Tenperaturak Monod-en ekuazioko _máx parametroan (k konstante zinetikoan) duen eragina entzimen aktibitatean ikusitakoaren antzekoa da. Tenperatura baxuetan _máx parametroak gora egiten du Arrhenius-en ekuazioaren arabera, harik eta proteinen desnaturalizazioa hasi arte eta, tenperatura altuagoetan beraz, _máx parametroak azkar egiten du behera. E. Coli hartzigaiaren bilakaera erakusten da 9. Irudian. Emaitza esperimentalak puntuak dira eta karbono eta energia iturri gisa glukosa erabilita lortu dira.

9. Irudia. Tenperaturaren eragina Monod-en ekuazioko konstante zinetikoan.

Kurba osoa hartuz, honako ekuazio honek deskribatzen du tarte osoa:

(20)

A eta E parametroak, Arrhenius-en ekuazioaren faktore aurreexponentziala eta aktibazio energia dira eta _max magnitudearen ezaugarriak dira desnaturalizazio tenperaturara arte. G_d proteinen desnaturalizazioan (erreakzio itzulgarrian) gertatzen den energia askearen gehikuntza da. B konstante enpirikoa da. Parametro hauek koefiziente aparenteak dira eta konstante zinetikoak tenperaturarekin duen bilakaera adierazten dute zenbait entzimen kasurako. 9. Irudiko lerroa (20) ekuaziori dagokio doiketarik oneneko parametroak erabilita.

pH-ak zelulen aktibitatean duen eragina pH-ak entzimen sentikortasunean duen eraginari lotuta dago. Entzimak pH-aren tarte estuan baino ez dira aktiboak eta, beraz, zelularen aktibitate entzimatiko totala pH-aren funtzio konplexua da ingurune abiotikoan.

_max parametroari dagozkion emaitza experimentalak (puntuak) 10. Irudian erakusten dira E. Coli mikroorganismorako. Lerroa honako ekuazio honi dagokio (doiketarik hobereneko konstanteak erabilita):

(21)

K konstante enpirikoa da (esangura fisikorik gabea) eta K₁ eta K₂ zelulak dituen proteina multzoaren disoziazio konstante aparenteak (batezbestekoak) dira.

10. Irudia. _max magnitudeak pH-arekin duen bilakaera E. Coli-ren hazkundean 27 eta 37 ^oC-ko tenperaturetan.

Eredu zinetiko egituratuak

Eredu zinetiko ez-egitaratuak egokiak dira erreakzio biokimikoak egoera geldikorrean deskribatzeko. Ostera, eredu egituratuak behar dira egoera ez-geldikorrean. Hauen artean, multzodun ereduak dira aipagarrienak (konpartimentu ereduak ere deitu ohi zaie bioteknologian, zenbait banakako erreakzio zelularen posizio jakinetan gertatzen direlako). Eredu hauetan, antzeko ezaugarridun konposatuz osoturiko zenbait konpartimentutan banatzen da zelularen hedadura eta euretariko bakoitzean banakako etapen ekuazio zinetiko enpirikoak erabilitzen dira.

Eredu egituratu bakunetan, konpartimentu bakan batzuk baino ez dira hartzen mikroorganismoen masa banatzeko, baina ondo ezarri behar dira bakoitzak antzeko funtziodun zelularen osagaiak bildu behar baititu. Horrela, konpartimentu biko ereduetan, batean zelularen mintza eta beste material inaktibo batzuek hartzen dira eta bestean ARNa, ADNa eta proteinak.

Eredu egituratu bakunetariko bat Williams-ek (1967) proposatua da eta F eta G konpartimentuetan banatzen da zelula:

• F konpartimentuak, polimerizazio erreakzioen atzindariak biltzen ditu, hots, erribosomak eta pisu molekular txikiko konposatu metabolikoak.

• G konpartimentuak ADNa eta proteinak biltzen ditu.

Eskema zinetikoa honako hauxe da:

Williams-en ereduaren postulatuak hauexek dira:

1. F konpartimentua A substratu mugatzailetik abiatuz sortzen da eta beraren formazio abiadura hauxe da:

(22)

2. G konpartimentua F konpartimentutik abiatuz ekoizten da eta beraren formazio abiadura, r_G, konpartimentu bien kontzentrazioen biderkadurari proportzionala.

(23)

X_F eta X_G masa frakzioak dira. Beraz,: X_F + X_G = 1

Ondoren, Roels-ek (1978) hedatu egin zuen Williams-en erdua, G konpartimentuko proteinak eta ARNa degradatu egiten direla adieraziz; hau da, despolimerizazio erreakzioak gertatzen dira F konpartimentuko osagaiak sortzeko:

G konpartimentutik abiatuz F-a sortzea, G konpartimentuaren tamainuaren (masa frakzioaren) proportzionala:

r_G-F = k₃X_G (24)

Eredu hau gai da mikroorganismoen hazkundea txandakako erreaktorean egiten denean gertatzen diren fenomenoak aurresateko:

• Hasieran zelularen tamainua hazi egiten da.

• Hazkunde exponentziala gertatzen da zelulalen tamainua maximoa denean.

• Zelulen osaera aldatu egiten da hazkundean zehar.

• Tamainu txikiko zelulaz osaturiko fase geldikorra lortzen da

Ondorengo beste zenbait ereduk, emaitzen bidezko inhibizioa edo substratu mugatzaile bi egotea azaltzen dute, besteak beste nitrogenoaren iturria eta karbonoaren iturria mugatzaile gisa.

MKROORGANISMODUN ERREAKTOREAK

Erreaktore industrialen portaera deskribatzeko, pistoi jarioko eta nahaste perfektuko eredu idealak edo serieko tankeen eredua dira egokiak.

Txandakako erreaktorea

Mikroorganismodun prozesuak errazago aztertzeko, honako zatidura hauek konstante diraute mikroorganismo-substratu sistema konkreturako:

(25)

(26)

Y_A/C eta Y_B/C etekin faktoreak dira (5 Taula) eta saiakuntzen bidez lortu behar dira.

Y_A/C konstante dela hartuz, honako hau dugu:

C_A = C_Ao – Y_A/C(C_C-C_Co) (27)

edo: C_C-C_Co = (C_Ao-C_A)/Y_A/C (28)

Deribatuz: dC_C = -dC_A/Y_A/C (29)

Ekuazio hauen bidez C_A eta C_C lotzen dira. Era berean, Y_B/C konstante hartuz:

C_B = C_Bo + Y_B/C(C_C-C_Co) (30)

Deribatuz: dC_B = Y_B/C dC_C (31)

Txandakako erreaktorearen diseinu ekuazioa, edo mikroorganismoen materia balantzea, Monod-en eredu zinetiko ez-egituratuaren kasurako ((2) ekuaziorako):

(32)

(27) eta (29) ekuazioak (32) ekuazioan ordezkatuz eta integratuz:

(33)

C_A, C_B eta C_C kontzentrazioen arteko erlazioa kontuan izanez, (33) ekuazioa C_A substratuaren kontzentrazioaren funtzio moduan edo C_B emaitzaren kontzentrazioaren funtzio moduan idatz daiteke.

Denbora totala kalkulatzeko, indukzio denbora gehitu behar zaio (33) ekuazioz kalkulaturiko denborari.

Pistoi jarioko erreaktore jarraitua

Diseinua (33) ekuazioaren bidez egiten da baina denboraren ordez denbora espaziala (= V/Q) erabilita. Erreaktorearen bolumena kalkulatzean, flokuluen bolumena izan behar kontuan, hartziduraren kasuan %25 inguru izaten delarik bolumen hori. Beraz, erreaktorearen bolumena 1.25 V_kalkulatua da

Mikroorganismoen masa, esegitako flokulu moduan edo solidoen gainazalean itsatsitako film moduan egon daiteke. Itsasketa flokulatzaileen bidez laguntzen da.

Flokuluen kasuan, soluzioaren abiaduraren arabera, ohantze finkoa, fluidizatua edo mugikorra erabili daitezke. Spouted bed erreaktorea ere erabil daiteke. Flokuluak hazi egiten dira eta tamainu guztietakoak egoten dira (tamainu banaketa).

Gainazalean itsasteko, xaflak (filmak) edo partikula geldoak (ohantzeak) erabiltzen dira. Itsasi egitearen abantaila soluzioaren abiadura handiagoak erabiltzan datza, hots mikroorganismoen arrasteari dagokiona baino handiagoa. Gas fasea (airea) dagoenean, erreakktore hauei slurry (gasa-likidoa-partikula solidoak esegita) edo trickle-bed (gasa-likidoa-partikula solidoak ohantze finkoan) deritze.

Nahaste perfektuko erreaktore jarraituak

Erreaktore mota honi kimiostato edo turbidostato deritzo (izen hauek propietateak uniformeak eta denboran zehar konstanteak direla adierazten dute). Mikroorganismoei materia balantzea eginez:

(34)

Ekuazio hau, (2) ekuazio zinetikoaz batera askatu behar da.

Mikroorganismoen masa esegita dago flokulu moduan. Flokulatzeko ezaugarria (mikroorganismoak bata besteari itsastea) mikroorganismoen araberakoa da eta AlCl₃ bezalako flokulatzaileak ere erabiltzen dira. Zenbat eta flokuluak handiagoak diren, arrastatu barik trata daitekeen emaria ere handiagoa da.

Operatzeko estrategia bi erabili ohi dira.

Mikroorganismoak etengabe elikatu barik

Mikroorganismorik elikatzen ez bada, (34) ekuazioan C_Co = 0 jarriz, eta ekuazio honetan r_C-ren ordez (2) ekuazioa ordezkatuz:

(35)

C_A bakanduz: k > 1 denean (36)

C_A kontzentrazioa C_C edo C_B-rekin erlazionatuz (Y_A/C eta Y_B/C konstante direla hartuz lorturiko (28) eta (30) ekuazioak), antzeko adierazpenak lor daitezkee C_C edo C_B kontzentrazioetarako.

Erreakzio kimikoen aldean, erreaktore mota hauek ez dira erabat jarraituak, materia balantzeek ez baitute mikroorganismoen sarrera gairik. Hori dela eta, (36) ekuazioak emaitza zentzugabeak ematen ditu k < 1 denean. Egoera honetan, eluzioa gertatzen da, hots, mikroosganismoen irteera abiadura beraien sorrera abidura baino handiagoa denez, egoera ez-geldikorrean C_C geroago eta txikiago izango da denboran zehar, harik eta zero egin arte eta, beraz, substratua konbertitu barik aterako da. Egoera hau gertatzen den abiadura espazialari (s = 1/) eluzio abiadura deritzo, (k > 1):

Eluzio abiadura= 1/ = k (37)

Abiadura espazial hau, lan egin daitekeen maximoa edo lan egin daitekeen denbora espazial minimoa da.

Mikroorganismoak etengabe elikatuz

Kasu honetan, (2) ekuazio zinetikoa (34) materia balantzean ordezkatuz eta C_C kontzentrazioa C_A-ren funtzioan jarriz (28) ekuazioaren bidez, erreakzionatzailearen kontzentrazioaren funtzioan lortzen den diseinu ekuazioa hauxe da:

(38)

Ekuazio hau C_B-ren edo C_C-ren funtzioan adieraz daiteke

11. Irudian erakusten da abiadura espazialak erreaktorearen irteerako erreakzionatzailearen, emaitzaren edo mikroorganismoen kontzentrazioan duen eragina. Eluzio abiaduran lan egiten denean ez dago erreakziorik eta mikroorganismoen kontzentrazioa irteeran eta sarreran berdina da, C_Co (edo zero C_Co = 0 denean).

11. Irudia. Erreaktorearen irteerako kontzentrazioen bilakaera emaria aldatzen denean

ERREAKTOREETAKO MATERIA TRANSFERENTZIA

Zenbait egoeratan, materia transferentziak mugatuta dago dute erreakzio abiadura:

• Hartzigailu aerobioetan, mikroorganismoek oxigenoa ere behar baitute emariaren elikagaiez gain.

• Mikroorganismoak ez daudenean banaka, baizik eta film moduan euskarriaren gainean. Erreakzionatzaileak lehenengo difusioz zeharkartu behar du kanpokaldeko geruza eta ondoren biomasan zehar barnerengo mikroorganismoetaraino heldu arte.

• Mikroorganismoak flokuluetan esegita daudenean. Kasu honetan ere kanpokaldeko eta barnekaldeko kontzentrazion gradienteak egongo dira.

Oxigenoaren transferentzia

Prozesu aerobioetan oxigenoa sartu behar da zelularen metabolismoa mantentzeko. Hodi zulatuak edo plaka porotsuak erabiltzen dira eta burbuilak likidoan gora egiten dute, aldi berean oxigenoa gas fasetik fase likidora pasatzen delarik. Whitman-en (1932) geruza bikoitzaren ereduaren arabera, gas fasetik likido faserako oxigenoaren garraioa likidoaren aldeko geruzan zeharreko difusioak kontrolatzen du. Faseen arteko erresistentzia globala honako hauxe da:

(39)

Oxigenoaren H Henry-ren konstante oso handia denez, lehen batugaia bigarrena baino askoz ere txikiagoa da eta, beraz, K_L  k_l. Oxigenoaren transferentzia erreaktorean bolumen unitateko, hauxe da:

N_O2 = = k_la(C_Oi – C_O) (40)

k_l = geruza likidoan gertatzen den oxigenoaren materia transferentziaren koefizientea da (mg m² s^-1 (mg/l)^-1), C_Oi = oxigenoaren kontzentrazioa faseartean, C_O = oxigenoaren kontzentrazioa likidoan, a = faseartearen azalera likidoaren bolumen unitateko.

C_Oi eta presio partziala Henry-ren legearen bidez lotzen dira:

p_Oi = HC_Oi (41)

Oxigenoaren kontzentrazioaren kalkulua

Ingurune likidora sartu behar den oxigenoa kontsumiturikoa izan behar da egoera geldikorrean. Balantze honetan, oxigeno kontsumoari dagokion Monod-en ekuazioa aplikatzen da (beste edozein substraturen kasurako bezalaxe)::

(42)

K_MO oxigenoari dagokion Monod-en konstantea da.

Oxigenoaren kontsumoa, k_la_l materia transferentziaren bidez edo Monod-en zinetikaz kalkula daiteke.

Gainera, nahaste perfektuko erreaktorearen kasurako:

(43)

(42) eta (43) ekuazioak batera askatuz, oxigenoaren kontzentrazioa, C_O, eta mikroorganismoena, C_C, kalkula daitezke denbora espazial jakinerako.

Materia transferentziaren koefizientea kalkulatzeko korrelazioak

Oxigeno transferentziaren k_la koefizientea ((42) ekuazioan behar dena) kalkulatzeko, korrelazio mota bi proposatu dira:

• Analisi dimentsionalean oinarriturikoak. Modulu adimentsionalez osoturiko adierazpenak dira, Sh = f(Re, Sc, Fr,.....). (44)

• Yagi eta Yoshida (1975):

(45)

berton: ; ;

eta = dentsitatea (kg m^-3), = biskositatea (kg m s^-1), = gainazal tentsioa (N m^-1), D_i= irabiagailuaren diametroa (m), D_O2= oxigenoaren difusio konstante (m² s^-1), N= irabiaketa abiadura (s^-1) , v_s= airearen gainazal abiadura, hots, emaria zati erreaktorearen zeharkako sekzio (m s^-1).

• Lo et al. (2001): (46)

berton _w = uraren biskositates (kg m s^-1).

• Zlokarnik-ek (1978) proposaturiko ekuazioak propietate fisikokimikoak ditu kontuan, hala nola, irabiaketaren eta aireztaketaren baldintzak:

(47)

berton: ;

eta g= grabitatearen azelerazioa (9,81 m s^-2), P_g= aireztaketa dagoenean irabiaketaz barreiaturiko potentzia (W), Q= aire emaria (m³ s^-1), = biskositate zinematikoa (Pa s), gainazal tentsioa (N m^-1).

• Erreaktorearen bolumen unitateko barreiaturiko potentziaren funtzioak. Korrelazio hauen adierazpen orokorra hauxe da:

(48)

berton C, a eta b sistema esperimentalaren araberakoak dira. Egile desberdinak parametro hauetarako era esperimentalean lorturiko balioak 6 Taulan erakusten dira. Taula honetan, T erreaktorearen diametroa da.

Biskositateak materia transferentzian duen eragina, gai bat gehituz hartu dute kontuak zenbait egilek. Adierazpen orokorra hauxe da:

(49)

7 Taulak erakusten duenez, d konstanteak 0 eta –1.3 tarteko balio negatiboa du. Taula horretan, egile desberdinak era esperimentalean lorturiko C, a, b eta d –ren balioak erakusten dira.

6. Taula. Zenbait egilek sistema desberdinak erabiliz lorturiko (48) ekuazioaren koefizienteak.

7. Taula. Zenbait egilek sistema desberdinak erabiliz lorturiko (49) ekuazioaren koefizienteak.

Beste egile batzuk hedatu egin dituzte korrelazio hauek aire-ura sistemen propietate fisikokimikoak landuz. Horrela, Kawase eta Moo Young-ek (1988) honako korrelazio hau proposatu dute:

(50)

Linek et al.ek (1987) beste hau proposatu dute:

(51)

Irabiaketa mekanikoz barreaiaturiko potentziaren kalkulurako korrelazioak

P_g gaiaren kalkulua azalduko da, aurreko hainbat korrelaziotan behar baita oxigenoaren transferentzia koefizientea kalkulatzeko.

Aireztaketa barik barreiaturiko potentzia

Aireztaketa gabeko nahastearen irabiaketan barreiaturiko P_o potentzia, N_p irabiaketa potentziaren moduluarekin lotuta dago (Rushton et al.., 1950):

(52)

Potentzia modulua operazio baldintzen menpekoa da. N_p-ren eta Reynolds moduluaren arteko lotura 12 Irudian erakusten da zenbait turbinetarako.

N_p kalkulatu egin daiteke. Richards-en (1963) arabera, palak eta bafleak dituen turbinarako :

(53)

berton W= palen zabalera (m), L= palen luzera (m), J= baflen zabalera (m), B= pala kopurua turbinako, R= bafle kopurua.

Behar den beste separatuta dauden n turbina erabiltzen direnean, potentzia modulua turbina bati dagokiona bider n da (Machón, 1985):

(54)

12. Irudia Irabiaketa moduluaren eta Reynolds moduluaren arteko lotura zenbait turbinetarako.

Aireztaketa dagoenean barreiaturiko potentzia

Gasa duen sistema likidoan barreiaturiko P_g potentzia, aireztatu gabekoaren herena ere izan daiteke. Potentziaren kontsumo txikiago hau, palen inguruan gas hutsuneak sortzeak eta gasak biskositatea murrizteak eragiten du.

Zenbait egilek, P_g-ren eta P_o-ren arteko lotura honako adierazpen honen bidez deskribatzen dute:

(55)

8 Taulan erakusten dira zenbait egilek lorturiko a eta b parametroeen balioak..

8. Taula. (55) ekuazioaren parametroak egile batzuen arabera

a b Operazio baldintzak Erreferentzia

0.72 0.45 T= 0.16 m, v_g= 0.44-10.4 mm/s Michel (1962)

0.832 0.44 T= 0.22 m Loiseau (1977)

0.812 0.45 T=0.4 m Yung (1979)

0.783 0.459 T= 0.39 m,v_g= 4.2-16.74 mm/s, Abardi (1988)

N= 3-16 rps, 1 turbina

1,224 0.432 T= 0.39 m, v_g= 4.2-16.74 mm/s, Abardi (1988)

N= 3-16 rps, 2 turbina

Beste korrelazio batzuk, honako hauek dira:

• Pharamond (1973) (56)

• Luong eta Voleksky (1979) (57)

Oxigenoaren transferentziaz gain, irabiaketak hainbat alde onuragarri ditu:

• Gune hilak eragozten ditu.

• Flokuluen neurria txikiagoa izatea eragiten du.

Hala ere, irabiaketa bortitzegiak zeluletan kalteak eragin ditzake horma apurtuz. Hori batez ere animali zeluletan gertatzen da, sentikorragoak baitira, eta irabiatzeko metodo bereziak erabiltzen dira sahiesteko, hala nola, bibrazio bertikala duen disko zulatua. Arazoa ezin bada konpondu, hodi formako erreaktoreak erabiltzen dira (irabiatu barik) eta aireztaketa bortitza ere ez da erabiltzen ahal bada.

Barne difusioa

Filmean zehar edo mikroorganismozko flokuluan zehar gertatzen den difusioaren mugapenaren tratamendu matematikoa, katalizatzaile solidoetan erabiltzen denaren antzekoa da. Horrela, substratuaren materia balantzea flokulu esferikoaren dr lodierako koroan egiten denean:

(58)

Ekuazio hau Thiele-ren moduluaren funtzioan ebazten da, erreakzio katalitikoetan bezalaxe, eta arazoaren muina D_A difusio koefiziente eraginkorra kalkulatzean datza.

Esterilizazioa

Mikroorganismo arrotzak kendu egin behar dira eta, horretarako, erreaktorera sartu behar diren jario guztiak esterilizatu egiten dira tratamendu termikoak erabilita batez ere. Erreaktorea bera, balbulak eta gehigarriak esterilizatzeko ura erabiltzen da. Janari edo farmazia industrian esterilizazioa halaharrezkoa denez, ekipo guztien diseinua baldintzatzen du, hau da, ahalik eta gainazaleko laztasun eta juntura gutxien erabili behar da.